四驱混合动力汽车动力系统匹配与控制策略研究

摘 要：外充电式混合动力汽车是电动汽车较好的技术路线，也是当前研究的热点。构建了一辆前轮发动机驱动、后轮电动机驱动的外充电式四驱混合动力汽车模型，进行了电机、电池和发动机参数设计，设计了发动机最优工作曲线能量控制策略和电能消耗型能量控制策略，并用Matlab和AVL Cruise软件对其进行了性能联合仿真。结果表明，所构建汽车模型可行，匹配动力系统参数设计达到预期目标，电能消耗型能量控制策略更有利于提高经济性。动力系统结构和能量控制策略易于产业化，可为样车开发提供借鉴。

关键词：混合动力汽车；优化匹配；控制策略；仿真

中图分类号：U469.72文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.03.06

由于作为动力源的电池在动力性、可靠性、经济性、安全性等方面远未能满足需要，纯电动汽车远未到达实用阶段。混合动力汽车是目前车辆节能降耗可行的技术路线之一，尤其是外充电式混合动力汽车，相比常规混合动力汽车，它的混合度可达50%，电池容量更大，纯电动行驶里程更长[1]。

动力系统参数的优劣决定了整车的动力性、经济性等性能[2]。整车开发的全部环节中，动力系统设计显得尤其重要。李骏[3]、刘炳国[4]等基于汽车理论对外充电式并联混合动力汽车参数进行了匹配，前者用Cruise软件进行了整车性能仿真，后者进行实车试验；任永乐[5]、王杉[6]等分别为串联混合动力汽车设计了传动系能量均衡能源控制策略和以电为主能源控制策略；舒红[7]、左义和[8]等分别基于部件工作效率最优、动态规划法设计了混联混合动力汽车控制策略。以上所述都是针对两驱车辆。四驱车辆在通过性等方面比两驱车辆更有优势，结合了外充电式的四驱混合动力汽车动力系统参数设计、能量控制策略方面的研究并不多见。本文对一款外充电式四驱混合动力汽车进行了动力系统参数匹配，设计了工程上易于实现的能源控制策略，并用Matlab和AVL Cruise软件对其进行了性能联合仿真，探讨了影响车辆动力性、经济性的因素。

1 整车参数和动力系统模型

参考有关资料，构建一辆四驱混合动力汽车，前轮发动机驱动，后轮设置电力驱动，前后驱动轴分别独立，电机由电机控制器控制，动力电池由电池管理系统控制，整车控制器控制发动机、动力电池和电机协同工作，实例样车的模型如图1所示。为了结构简单和便于优化发动机工作工况，发动机配置的发电机仅为车用电器（含空调）需求，发动机未启动时，车用电器由电池供电。电池电能的补充来自电网和制动能量回收。根据控制策略，车辆可以由发动机单独驱动、电机单独驱动或发动机和电机联合驱动。

车辆设定纯电动模式使用于城市交通。美国私人交通调查报告显示[9]，车辆日行驶里程60英里（约96.6 km）以内概率占60%，设定纯电动模式续行驶里程100 km，考虑CJJ37—2012关于城市道路设计车速的规定，设定纯电动车速为60 km/h。因动力电池质量未定，故整备质量需在匹配电机、电池和发动机后确定。表1列出了混合动力汽车样车整车参数。

2 后驱系统设计与分析

后驱系统由电池、电动机、差速器和轮系以及相关控制系统组成，可以看成纯电动系统。由于电动机有低速恒转矩、高速恒功率的输出特性[10]，事实上，汽车在起步或爬坡等工况车速较低时需要较大转矩，高速行驶时要求较大功率，电动机正好符合此要求。而且电动机的转速可以实现从每分钟几十转到一万多转的变化，因此，本文后驱系统不设置变速器，仅在与差速器连接处设置了减速齿轮，从而简化了机械传动装置。

2.1 电机参数设计

设计中，期望最高车速确定了动力系统应有的功率[2]，此功率也应满足汽车的最大爬坡度和加速性能要求。按国家标准GB/T 19752—2005规定，计算需求功率时取试验质量mt=1 880 kg。传动效率ηT、路面滚动阻力系数f、风阻系数CD、迎风面积A、最高车速umax、爬坡车速ua、加速车速ub、爬坡角度α和0-100 km/h加速时间t的值见表2。

（1）满足最高车速的功率

（2）满足最大爬坡度的功率

（3）满足加速性能的功率

由计算可知，动力系统能提供87 kW的动力即可满足汽车最高车速、爬坡度和加速性能要求。根据本文动力系统的结构，由发动机和电动机共同提供最大需求功率，且根据外充电式混合动力汽车的混合度设计规律，两者各提供约50%。最高车速需要用额定功率满足，最大爬坡度和加速性能可以使用峰值功率，考虑了车用电器消耗的总功率约3 kW和发动机启动马达的功率1.4 kW，据GB/T 18488.1—

2001规定的电机功率等级，选取额定功率Pmr=

45 kW的电机。根据CJJ37—2012，城市行驶最高速度为100 km/h，爬坡度为9%，45 kW功率也满足此要求。

为得到较高的效率，本文后驱动系统不同于前驱系统而设置主减速比为5.4，为达到200 km/h要求，设定电动机最高转速为nmmax=9 000 r/min。电动机扩大恒功率区系数β由式（4）计算而得。

式中：nmmax为电动机的最高转速；nmr为电动机的额定转速。一般取β=4～6，本文取β=4.5，得额定转速nmr=2 000 r/min，由式（5）计算并取近似值得电动机额定转矩Tmr=200 N·m，电动机均有2～3倍的过载能量，故最大转矩取Tmmax=400 N·m。

考虑到制动能量回收的需要，具有发电和电动功能的电机被本文选取。据GB/T 18488.1—2001规定的电机电压等级，取336 V为电动机工作电压。

2.2 电池参数设计

由于具有较高的功率密度和能量密度，锂离子电池被本文选择为动力电池。电能由电池到电动机的输出效率受逆变器效率ηc和电动机效率ηm影响，本文两个电器效率均取0.95，由此计算得电池功率PB=50 kW。考虑了传动效率ηT（本文取0.92）、电池放电效率ηq（本文取0.95）和电池能量放出率k（本文取75%），按式（6）计算并取整得要满足纯电动模式以60 km/h等速行驶100 km需求能量为EB=18 kWh。

式中：F为汽车行驶总阻力；S为行驶里程；k为电池能量放出率；ηT为传动效率；ηc为逆变器效率； ηm为电动机效率；ηq为电池放电效率。基于市场上有标称电压3.6 V、标称容量11 Ah的电池成品，以95块串联得电池端电压342 V，由端电压和需求能量计算得总容量约为53 Ah，5组并联可得55 Ah，此时电池总能量18.8 kWh。可以推算得电机输出额定功率时电池放电倍率近2.7 C，在业界认为可以接受的范围，当汽车以60 km/h的速度纯电动行驶时放电倍率则不足0.5 C。以90 Wh/kg的能量密度计算得电池质量200 kg。

过低或过高的SOC使电池过度放电或过度充电的可能性增大，但更大的SOC范围可以利用更多电能，减少充电次数，根据经验，设定电池SOC界限为20%～95%。

3 前驱系统设计与分析

按照发动机与电机功率对半分配的方式，考虑到发动机功率应有一定的裕度，以减小动力对电机的依赖，发动机额定功率选取Per=50 kW，同样满足城市行驶最高速度为100 km/h，爬坡度为9%的要求。

参考有关资料，取传动比见表3所列。

发动机需要和电机共同提供动力使汽车达到最高车速，结合传动系统最小传动比，以式（7）计算并取整得发动机额定转速ner=6 000 r/min。

为了提高整车的经济性，需要进行发动机小型化和工况优化。时速60～120 km/h是常用车速，本文设置纯燃油模式下汽车在此车速范围内行驶。发动机运行在最大转矩工况附近具有好的经济性，设定120 km/h以5挡传动比行驶通过式（8）计算并取整得此时发动机转矩Ter=80 N·m，考虑一定裕度，取Temax=120 N·m为设计最大转矩。设定60 km/h以3挡、4挡传动比行驶，通过式（7）计算得汽车时速60～100 km/h都可以使发动机运行在3 200 r/min附近实现，故取发动机最大转矩转速ner=3 200 r/min。

结合实际资源，选择一款L4自然吸气四冲程汽油机作前驱系统动力，额定功率、额定转速、最大转矩、最大转矩对应转速同以上计算。

4 能量控制策略与整车性能仿真

4.1 能量控制策略

能量控制策略对电动汽车的性能有重要影响。在众多的策略中，基于规则的逻辑门限控制策略由于结构相对简单、工程上易于实现且效果较好而被广泛使用。基于此，本文设计了发动机最优工况能量控制策略（以下简称策略1）和电能消耗型能量控制策略（以下简称策略2），对于策略1，只要电池SOC在20%以上，发动机只运行在油耗最优工况，尚未满足汽车需求的部分动力由电动机补充；对于策略2，电动机提供其能输出的最大动力，尚未满足汽车需求的部分动力由发动机补充，两种策略逻辑框图如图2所示。策略1所用的发动机最优工况为图3所示发动机万有特性图中油耗最小曲线区域。

利用Matlab/Simulink软件编写能量控制策略，将策略导入AVL Cruise软件运行整车性能仿真，并在效果较好的策略基础上增加制动能量回收策略，以对比对汽车使用经济性的影响。表1～3所列参数源于某汽车公司已批产的某款轿车，该款轿车配置110 kW汽油机，本文对该款轿车动力性和经济性也进行了仿真，并与本文所构建的混合动力汽车性能作对比。

4.2 动力性能仿真

在未使用空调情况下，参照国标GB/T 19752—2005，对车辆动力性能进行了仿真，参照国标

GB/T 18386—2005，对车辆NEDC（New European Driving Cycle）循环纯电动续行驶里程进行了仿真，结果见表4。

由表4可知，对比车配置了高达110 kW的发动机后得到了较好的动力性，策略1无法达到0-100 km/h

加速要求，因为在前段时间发动机没有启动。策略2则由于在任何需要的工况，发动机都可以和电机同时提供动力，使3个动力性能指标都达到设计要求，两个策略发动机、电机的前22 s内功率输出情况如图4所示。由于利用了电机低速恒转矩的特性，即使配置了电池和电机等使整车增加了近300 kg的质量，配置95 kW的动力也可以得到与对比车相当的动力性能。调查显示[11]，中国人驾车日均行驶里程不超过42 km，从续驶里程仿真结果可见，所配置的电池能量基本可以满足日常纯电动行驶需求。

4.3 经济性能仿真

参照国标GB/T 19753—2005，连续运行多个NEDC循环，考察电池工作在设定SOC界限情况下车辆能量消耗。对比车以及分别使用策略1和策略2的混合动力汽车的NEDC循环能耗仿真结果见表5，其中百公里电耗由SOC从95%降至20%时段总电耗、行驶里程折算而得。比较知策略2节能效果较好，在原策略基础上增加了制动能量回收策略，4个NEDC循环电池能量输入输出情况如图5所示，将其折合成100 km回收量列于表5。为比较使用经济性，以目前8.2元/L的汽油售价、0.7元/kWh的电能售价折算成100 km使用成本同列于表5。

由表5可知，策略1下的混合动力汽车较对比车仅节约6.9%使用成本，这与发动机工作工况关系密切，如果能优化发动机性能，油耗会进一步降低。在策略2基础上增加制动能量回收后，即使发动机并没有都工作在效率最优工况，由于充分利用了电能，也节约了26.5%的使用成本。

5 结论

（1）本文配置了外充电式四驱混合动力汽车动力系统的参数，利用了电机低速恒转矩的特性，得到了最高车速218.6 km/h、爬坡度48.1%、0-100 km/h

加速时间13.4 s的良好动力性能。

（2）电池容量对续行驶里程有着关键影响，混合动力汽车配置的电池容量应考虑每天行驶里程、SOC许用范围、充放电频率等因素。本文配置了18.8 kWh的电池，以NEDC循环工况行驶，可达40.5 km纯电动续驶里程。

（3）发动机工作工况的优劣对混合动力汽车的经济性有重要影响，相对而言，尽量利用电能的能量管理理念更容易提高经济性。本文的电能消耗型能量控制策略让使用成本较对比车节约了26.5%，外充电式混合动力汽车应尽可能利用电网电能。

（4）前后轮分别用不同能源驱动的方式工程上比较容易实现四轮驱动，控制策略上也比较容易实现半时、全时四驱方式的切换。如产业化，需要对整车的其它性能进行考核，比如制动性、操纵稳定性、平顺性、通过性等。整备质量对汽车的性能有重要影响，因此，轻量化会使电动汽车得到更好的综合性能。

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